減速器行業(yè)專題報(bào)告對比Atlas看人形機(jī)器人商業(yè)化可能性（報(bào)告出品方/作者：浙商證券，程兵、邱世梁、田子硯）1分析波士頓動(dòng)力Atlas高成本來源看人形機(jī)器人商業(yè)化可能性波士頓動(dòng)力Atlas機(jī)器人出色的運(yùn)動(dòng)性能為未來商用服務(wù)型人形機(jī)器人樹立標(biāo)桿。波士頓動(dòng)力Atlas展現(xiàn)了全球最前沿的人形機(jī)器人科研進(jìn)度，可以跑酷、后空翻、跳舞、使用工具。其研發(fā)目標(biāo)是“超越人”。Atlas機(jī)器人以復(fù)雜的AI算法、多模態(tài)視覺感知和高性能電液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)異運(yùn)動(dòng)性能，但百萬美金的高昂成本限制了商業(yè)化進(jìn)程。特斯拉以電驅(qū)替代液驅(qū)，旨在實(shí)現(xiàn)人形機(jī)器人的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、低成本和可量產(chǎn)。特斯拉人形機(jī)器人使用電驅(qū)作為動(dòng)力系統(tǒng)，優(yōu)化關(guān)節(jié)數(shù)目降低靜坐和快走的功耗，將FSD、Dojo芯片、純視覺系統(tǒng)等自動(dòng)駕駛技術(shù)遷移至人形機(jī)器人，優(yōu)先運(yùn)動(dòng)控制算法研究。電驅(qū)有望替代液驅(qū)實(shí)現(xiàn)高運(yùn)控性能，低成本優(yōu)勢驅(qū)動(dòng)打開消費(fèi)市場。電液驅(qū)動(dòng)在慣量比、響應(yīng)速度、力密度等方面具備顯著優(yōu)勢，而伺服電機(jī)系統(tǒng)通過電機(jī)性能迭代、精密減速器優(yōu)化等途徑，未來有望在各項(xiàng)指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)突破，且目前國內(nèi)外廠商及科研院所在各環(huán)節(jié)均發(fā)力突破。考慮到電驅(qū)在成本、維護(hù)、體積重量等方面均優(yōu)于液驅(qū)，未來將是商用人形機(jī)器人的不二選擇。人形機(jī)器人將持續(xù)迭代，特斯拉Optimus商業(yè)前景可期，我們預(yù)計(jì)3~5年內(nèi)可以提升電驅(qū)系統(tǒng)至Atlas當(dāng)前水平，人形機(jī)器人商用有望迎來爆發(fā)式成長。人形機(jī)器人運(yùn)控模塊的迭代升級(jí)也將打開視覺感知、精密減速器市場空間，建議重點(diǎn)關(guān)注諧波減速器、RV減速器和激光雷達(dá)方向。1.1離線軌跡優(yōu)化和在線模型預(yù)測控制為Atlas步態(tài)算法核心人形機(jī)器人的步態(tài)及平衡控制具有較高技術(shù)難度。人形機(jī)器人在移動(dòng)時(shí)只受自身重力和地面作用力兩方面外力，但機(jī)器人只能通過控制關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力來控制步態(tài)，帶來了研發(fā)的極大難度。環(huán)境感知：Atlas通過TOF深度相機(jī)（15幀/秒）生成環(huán)境點(diǎn)云，集合測量數(shù)據(jù)。使用多平面切割算法在環(huán)境點(diǎn)云中提取表面，并將輸出的數(shù)據(jù)輸入到地圖系統(tǒng)建立模型。TOF（TimeofFlight）深度相機(jī)，增加了像素Z軸的景深信息，也被稱為3DTOF。給目標(biāo)發(fā)送連續(xù)光脈沖，通過傳感器接收物體反射光，計(jì)算發(fā)射和反射時(shí)間差或相位差，來換算目標(biāo)距離以及深度信息，再結(jié)合傳統(tǒng)相機(jī)拍攝，以不同顏色代表不同距離的地形圖方式呈現(xiàn)目標(biāo)的三維輪廓。特斯拉人形機(jī)器人感知視覺技術(shù)為自動(dòng)駕駛純視覺系統(tǒng)的遷移，發(fā)展相對成熟，具商業(yè)化規(guī)模成本優(yōu)勢。特斯拉視覺模塊采用處理原始信息的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即純視覺系統(tǒng)。借鑒GoogleTransformer模型，搭建HydraNet神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，優(yōu)化視覺算法。它獲取密集的視頻數(shù)據(jù)，將其壓縮到3D向量空間。實(shí)時(shí)處理攝像頭傳輸?shù)膱D像，轉(zhuǎn)換為向量信息。形成所需要的全部三維空間信息，包括線條、邊緣、路沿、交通指示、交通燈、位置、方向、深度、速度等。人形機(jī)器人步態(tài)算法種類繁多，以波士頓動(dòng)力的MPC（ModelPredictiveControl）算法最為先進(jìn)。模型預(yù)測控制（MPC）最早應(yīng)用于自動(dòng)駕駛。Atlas團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人ScottKuindersma表示，Atlas的MPC算法有離線和線上兩部分。首先根據(jù)CentroidalDynamics（能夠?qū)⑷诵螜C(jī)器人欠驅(qū)動(dòng)的自由度和關(guān)節(jié)速度映射成質(zhì)心速度的模型）通過離線算法進(jìn)行軌跡優(yōu)化，優(yōu)化出LibraryofTemplateBehaviors（行為模板庫），在線上算法部分采用高效MPC使用機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型來跟蹤相應(yīng)步態(tài)，輸出作用力、落腳位置和時(shí)間等參數(shù)。軌跡優(yōu)化離線設(shè)計(jì)模板是Atlas行為執(zhí)行的來源。研究人員更新行為庫里的軌跡和功能，捕捉重要發(fā)力點(diǎn)。跳馬和后空翻是Atlas全身復(fù)雜行為優(yōu)化設(shè)計(jì)的很好例證。MPC可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反饋。MPC可以在線調(diào)整行為時(shí)間，通常用于保持平衡、調(diào)整觸地時(shí)間等。對于舞蹈動(dòng)作，可以使用該模型來跟蹤所需的BPM（每分鐘拍子數(shù)）并與音樂合拍。特斯拉Optimus步態(tài)算法中規(guī)中矩，與Atlas步態(tài)算法結(jié)構(gòu)類似，目前可以保持平衡。特斯拉將捕捉的動(dòng)作可視化處理，形成“關(guān)鍵幀”。并對人形機(jī)器人的軀干、手和腿等部位的位置做詳細(xì)的關(guān)鍵幀分析，將數(shù)據(jù)映射回機(jī)器人身上，實(shí)現(xiàn)軌跡優(yōu)化。預(yù)計(jì)隨時(shí)間推移特斯拉將搜集更多數(shù)據(jù)建立更具可用性的軌跡優(yōu)化行為庫，并通過在線動(dòng)作調(diào)整實(shí)現(xiàn)Optimus更多靈活行為。1.2液驅(qū)以更高力密度促成Atlas優(yōu)異性能，電驅(qū)為未來商業(yè)化趨勢選擇Atlas包含28個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)器來提供動(dòng)力。驅(qū)動(dòng)器為充滿加壓流體的氣缸，以很大的力驅(qū)動(dòng)活塞。定制伺服閥優(yōu)化設(shè)計(jì)演變的更小、更輕。Atlas內(nèi)部由流體管線連接液壓驅(qū)動(dòng)器。如果管線斷裂，紅色液壓流體會(huì)流出。液驅(qū)歷史悠久，波士頓動(dòng)力在液驅(qū)方面專利布局廣而深。Atlas進(jìn)行一系列研發(fā)降低液壓系統(tǒng)的能耗，使得動(dòng)力系統(tǒng)取得更高效率。1）規(guī)劃人形機(jī)器人理想雙足運(yùn)動(dòng)軌跡。波士頓動(dòng)力機(jī)器狗由于能量多次轉(zhuǎn)換和多環(huán)節(jié)傳遞產(chǎn)生能耗高的問題，Atlas設(shè)計(jì)足式機(jī)器人前行中理想足部軌跡，以降低液壓驅(qū)動(dòng)能耗。2）通過切換控制器和設(shè)計(jì)不同壓力油路的液壓系統(tǒng)供給不同功率。為Atlas在不同場合供給不同功率以降低功耗。波士頓動(dòng)力在專利US20100090638A1中根據(jù)傳感器檢測力，通過控制器控制閥進(jìn)行開關(guān)，按照不同情景切換高低功率模式。并于專利US20120291873A1中設(shè)計(jì)了具有高、中壓油路和低壓返回油路的液壓系統(tǒng)。3）采用以液壓驅(qū)動(dòng)為主的電液一體化方式提供動(dòng)力。Atlas背著蓄電池和微型液壓動(dòng)力站，通過判斷關(guān)節(jié)承受的負(fù)載類型和大小選擇合適的液壓或電動(dòng)制動(dòng)器，使得機(jī)器人的功率消耗最低。液壓驅(qū)動(dòng)為離散力，電驅(qū)動(dòng)為連續(xù)力，兩種方式互補(bǔ)形成期望力，達(dá)到最佳驅(qū)動(dòng)效率。Atlas做后空翻等動(dòng)作時(shí)，采用液壓驅(qū)動(dòng)更加安全，避免過大沖擊引發(fā)電機(jī)爆炸。4）波士頓動(dòng)力還布局了液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定供壓能力提升、不同壓力組合、分階段提供液壓、延長液壓零部件工作壽命、加快閥的響應(yīng)速度等方面的專利。這些專利都有助于液壓系統(tǒng)運(yùn)行更加高效，減少功耗。電驅(qū)對比液驅(qū)主要劣勢在于力密度，電驅(qū)目前在人形機(jī)器人領(lǐng)域無法完全取代液驅(qū)。與Atlas不同的是，特斯拉人形機(jī)器人采用電驅(qū)。液驅(qū)依靠流體動(dòng)力，可以在狹小空間實(shí)現(xiàn)密集解決方案。電力驅(qū)動(dòng)通過電磁場產(chǎn)生電磁力，其單位質(zhì)量作用力（力密度）目前只有液壓驅(qū)動(dòng)器的十分之一。德國力士樂電液驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)力可達(dá)200-250噸，體積相似的電驅(qū)只能達(dá)29噸。更大的力密度帶來人形機(jī)器人更優(yōu)質(zhì)的運(yùn)動(dòng)性能。液壓驅(qū)動(dòng)力密度更大，響應(yīng)速度更快，爆發(fā)力和控制力更好，運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。波士頓動(dòng)力副總裁AeronSaunders表示Atlas用電驅(qū)可以跳3英尺（約0.9米），用液驅(qū)可以跳6英尺（約1.8米）。Atlas采用液壓驅(qū)動(dòng)方案，其響應(yīng)速度很大程度上取決于電液伺服閥的頻率響應(yīng)指標(biāo)。Atlas采用MOOG公司的航空伺服閥作為主控制閥，頻響接近1000Hz，即Atlas可在接近1ms的時(shí)間內(nèi)對運(yùn)動(dòng)指令做出響應(yīng)。伺服電機(jī)的頻率響應(yīng)功能反映在速度環(huán)周期和瞬態(tài)響應(yīng)曲線這兩個(gè)指標(biāo)上，核心指標(biāo)為伺服電機(jī)的頻帶寬度，目前日本安川的高性能伺服電機(jī)頻帶寬度可達(dá)到1kHz，即電機(jī)響應(yīng)時(shí)間達(dá)1ms，與液壓驅(qū)動(dòng)非常接近。液壓驅(qū)動(dòng)器更大的慣量使得人形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。液壓驅(qū)動(dòng)的慣量比電驅(qū)要大，能夠承受跑步、跳躍等運(yùn)動(dòng)過程中的瞬時(shí)大負(fù)載，伺服電機(jī)自身慣量較小，受到外部大慣量輸入時(shí)容易對電機(jī)工作造成反作用，影響工作平穩(wěn)性。電驅(qū)由于易于維護(hù)、低成本、零件規(guī)整更加有利于商業(yè)化。以Bigdog為例拆解液壓系統(tǒng)：波士頓動(dòng)力機(jī)器狗采用水冷二沖程內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，通過發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵，提供約11.19kW的功率。高壓液壓油通過過濾器、歧管、蓄能器和其他管路被輸送到腿部執(zhí)行器。熱交換器用于冷卻液壓油，散熱器用來冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)以便持續(xù)運(yùn)行，液驅(qū)系統(tǒng)還包括檢測油壓、油溫和流量等傳感器。目前人形機(jī)器人電驅(qū)方案主要采用伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器和編碼器共用構(gòu)成伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)用于準(zhǔn)確控制輸出的機(jī)械位移轉(zhuǎn)角、位移速度和加速度等，滿足機(jī)器人各部位各種運(yùn)動(dòng)方式的需求，且電機(jī)驅(qū)動(dòng)的成本要低得多。由于力的限制，目前電機(jī)普遍通過增大轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速來滿足更高功率需求，加入稀土元素減少慣量以提升響應(yīng)性能。功率=轉(zhuǎn)矩速度=力半徑角速度?？梢酝ㄟ^增加電動(dòng)機(jī)的半徑來增加轉(zhuǎn)矩，或提升轉(zhuǎn)速來滿足功率的需求。根據(jù)蓋世汽車研究院，目前18,000rpm的電機(jī)已逐漸量產(chǎn)，未來將進(jìn)一步朝20,000rpm以上發(fā)展。新南威爾士大學(xué)研發(fā)的高速電機(jī)每分鐘超10萬轉(zhuǎn)，峰值功率密度可達(dá)7kW/Kg。加入稀土元素，可4倍提高材料磁飽和強(qiáng)度，減小轉(zhuǎn)子慣量，提升電機(jī)響應(yīng)性能。電驅(qū)在工業(yè)機(jī)器人和軍事領(lǐng)域逐步取代液驅(qū)。工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，F(xiàn)ANUC電驅(qū)超重負(fù)載機(jī)器人，負(fù)載為1700kg，重復(fù)精度+/-0.27mm。軍事領(lǐng)域，俄羅斯蘇-57戰(zhàn)斗機(jī)使用電驅(qū)系統(tǒng)代替液壓系統(tǒng)，用電纜代替液壓管道，避免使用易燃有毒液體；提升戰(zhàn)斗機(jī)生存性，電纜易于備份，防止一處損壞導(dǎo)致全驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)崩潰。我們認(rèn)為未來3~5年內(nèi)，隨著電驅(qū)系統(tǒng)功率密度和響應(yīng)速度的不斷提升，特斯拉使用電驅(qū)在性能上可以媲美液壓驅(qū)動(dòng)。功率密度方面，特斯拉目前國產(chǎn)電機(jī)供應(yīng)商為臺(tái)灣富田電機(jī)，其低慣量交流感應(yīng)伺服電機(jī)系列產(chǎn)品額定轉(zhuǎn)速為1000-3000rpm，功率為37-190kW。隨著直流空心杯電機(jī)（因?yàn)闊o鐵芯轉(zhuǎn)子，體積和質(zhì)量較普通電機(jī)減少1/3-1/2）和高速電機(jī)的發(fā)展，更高轉(zhuǎn)速和更小體積的電機(jī)預(yù)計(jì)將被引入人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈，Atlas液壓動(dòng)力單元HPU的功率密度為5kW/5Kg。新南威爾士高速電機(jī)研究員表示高速電機(jī)（7kW/Kg）推廣到特斯拉電動(dòng)車需要6-12個(gè)月，預(yù)估如果特斯拉想采用高速和高精度微特電機(jī)，3年內(nèi)可以適配到人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈。響應(yīng)速度方面，目前特斯拉電動(dòng)車Model3兩個(gè)電機(jī)的扭矩切換相應(yīng)時(shí)間只需要10ms，目前市場上已經(jīng)存在響應(yīng)速度（1ms）接近液壓驅(qū)動(dòng)的安川伺服電機(jī)。同時(shí)隨著轉(zhuǎn)子材料的進(jìn)化，電機(jī)的響應(yīng)性能將進(jìn)一步提升。平穩(wěn)性方面，伺服電機(jī)增強(qiáng)平穩(wěn)性的核心解決方法是通過減速器減小外部輸入，實(shí)現(xiàn)對原動(dòng)機(jī)的減速增矩。1.3電驅(qū)方案確定性強(qiáng)，精密減速器成為人形機(jī)器人核心零部件減速器連接動(dòng)力源和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩的重要作用。設(shè)備由于不適宜用原動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，減速器可將傳動(dòng)設(shè)備在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)力，通過齒輪比傳動(dòng)（輸入軸上的小齒輪嚙合輸出軸上的大齒輪）或是差齒傳動(dòng)（由于輸入端和輸出端齒輪數(shù)量差異產(chǎn)生減速），達(dá)到降低轉(zhuǎn)速和增大扭矩的目的。人形機(jī)器人關(guān)節(jié)數(shù)量多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對減速器的精度、體積重量、減速性能等均提出很高要求?？紤]人形機(jī)器人要模擬人類的運(yùn)動(dòng)模式，需要具備高精度、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，且由于整機(jī)重量過大會(huì)增大機(jī)器人動(dòng)力負(fù)擔(dān)，減速器也必須盡可能輕量化。因此我們認(rèn)為，在人形機(jī)器人的膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)等大關(guān)節(jié)處，RV減速器具備良好的應(yīng)用前景；而在小關(guān)節(jié)處，諧波減速器是最優(yōu)解決方案。2諧波減速器：體積小精度高，滿足人形機(jī)器人小關(guān)節(jié)要求2.1利用少齒差減速原理，諧波減速器可實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動(dòng)控制諧波減速器由波發(fā)生器、柔輪和剛輪三大部分構(gòu)成。相比于傳統(tǒng)的減速器，諧波減速器以獨(dú)特的三元件結(jié)構(gòu)，在緊湊輕便的結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)高減速比，并具備零背隙、高扭矩和高定位精度的優(yōu)點(diǎn)。諧波減速器三個(gè)基本部件分別為波發(fā)生器（WaveGenerator）、柔輪（FlexSpline）和剛輪（CircularSpline）：波發(fā)生器：由一個(gè)專門設(shè)計(jì)的薄滾珠軸承組成，該軸承安裝在橢圓輪轂上，通常用作輸入并連接到伺服電機(jī)。柔輪：由合金鋼制成，呈薄圓柱形杯狀，開口端有外齒，徑向具備較大的彈性，工作過程中柔輪呈橢圓形。剛輪：帶有內(nèi)齒的剛性環(huán)，工作過程中與柔輪外齒相嚙合。諧波減速器利用新型傳動(dòng)理論，利用少齒差原理實(shí)現(xiàn)精密減速控制。柔輪直徑略小，且齒數(shù)比剛輪少兩個(gè)。波發(fā)生器的橢圓形狀使柔性齒輪的齒在橢圓長軸上的兩個(gè)相對區(qū)域與剛輪嚙合。波發(fā)生器每旋轉(zhuǎn)180度，柔輪由于齒數(shù)的差異，會(huì)相對剛輪反方向前進(jìn)一個(gè)齒。因此波形發(fā)生器每帶動(dòng)柔輪工作一周，柔輪將相對剛輪從其原始位置旋轉(zhuǎn)兩個(gè)齒的角度，從而實(shí)現(xiàn)減速，減速比為剛輪齒數(shù)與剛輪和柔輪齒數(shù)差的比值。諧波減速器具備高精度、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，應(yīng)用范圍廣泛。諧波減速器的各項(xiàng)優(yōu)勢，使其在醫(yī)療器械、光伏設(shè)備、半導(dǎo)體設(shè)備等領(lǐng)域均有應(yīng)用前景。（1）傳動(dòng)精度高：諧波減速器工作過程中齒輪傳動(dòng)裝置多齒在180度對稱位置同時(shí)嚙合，嚙合齒數(shù)占比可達(dá)30%，因此齒輪齒距誤差和累計(jì)齒距誤差對旋轉(zhuǎn)精度的影響較為平均，可得到極高的位置精度和旋轉(zhuǎn)精度。（2）減速比大，傳動(dòng)效率高：諧波減速器齒輪傳動(dòng)的基本減速比為30~320，額定負(fù)載輸出時(shí)的傳動(dòng)效率可達(dá)65%~96%，顯著優(yōu)于普通齒輪傳動(dòng)裝置。（3）結(jié)構(gòu)簡單，壽命長：諧波減速器的體積和重量約為普通齒輪傳動(dòng)裝置的1/3，且在工作過程中嚙合齒數(shù)多，輪齒單位面積應(yīng)力載荷小，運(yùn)動(dòng)沖擊小，輪齒磨損小，使用壽命更長。（4）輪齒間隙小，傳動(dòng)平穩(wěn)，安裝方便：諧波減速器通過特殊的齒形設(shè)計(jì)使得柔輪和剛輪的嚙合過程實(shí)現(xiàn)連續(xù)性的漸進(jìn)和漸出，消除齒面滑移速度突變，保證傳動(dòng)的平穩(wěn)性和低噪聲。同時(shí)諧波減速器可根據(jù)使用需求，選擇波發(fā)生器、柔輪和剛輪中作為輸入和輸出的環(huán)節(jié)，獲得不同的減速和加速比。2.2材料、齒形、軸承等決定減速器性能，國內(nèi)廠商加速技術(shù)進(jìn)步諧波減速器作為技術(shù)密集型行業(yè)，技術(shù)壁壘高。從諧波減速器相關(guān)技術(shù)的專利申請看，可以分為總體結(jié)構(gòu)、柔輪、剛輪、柔性軸承、齒形等10個(gè)分支，其中近年來國內(nèi)外廠商在減速器結(jié)構(gòu)、波發(fā)生器、柔輪和加工工藝這幾個(gè)方面加大研發(fā)力度。我們認(rèn)為，材料、齒形和軸承工藝是決定諧波減速器性能的核心環(huán)節(jié)，隨著國內(nèi)廠商近年來不斷加大自主研發(fā)力度，產(chǎn)品性能顯著提升，正在加速進(jìn)行中。2.2.1特殊運(yùn)動(dòng)模式?jīng)Q定諧波減速器材料特殊，柔輪材料要求高于剛輪作為諧波減速器傳動(dòng)減速的核心部件，柔輪和剛輪的材料要求特殊。其中柔輪由于其特殊的運(yùn)動(dòng)模式，對材料提出更加嚴(yán)苛的要求，國內(nèi)廠商從材料選用、提純工藝等入手，不斷提升諧波減速器性能，縮小與國外頭部廠商的差距。剛輪材料實(shí)現(xiàn)，國內(nèi)ADI材料性能超越球墨鑄鐵。剛輪是諧波輸出圓周運(yùn)動(dòng)的載體，在與柔輪嚙合的過程中具備減磨抗磨特性。剛輪材料的選用上，以日本哈默納科為代表的國外廠商普遍采用球墨鑄鐵，球墨鑄鐵具備切削性能好、自潤滑、導(dǎo)熱好、比重小等優(yōu)勢，長期以來都是保證減速器壽命的最佳選擇。國外對原材料技術(shù)嚴(yán)密控制，我國自主研發(fā)突破壁壘。國內(nèi)通過產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合研發(fā)，對超細(xì)密ADI（等溫淬火球墨鑄鐵）材料進(jìn)行改良，取得諧波減速機(jī)專用的自潤滑ADI材料。ADI材料在高硬度切削性能、石墨球直徑及分布密度、服役溫度區(qū)間等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)球墨鑄鐵，為國內(nèi)諧波減速器原材料選擇開拓了一條新的道路。柔輪工作模式特殊，材料需求特殊，對雜質(zhì)成分要求嚴(yán)苛。諧波減速器工作過程中，柔輪不斷變形，并且要同時(shí)承受彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種應(yīng)力，長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)容易導(dǎo)致柔輪疲勞斷裂，從而造成諧波減速器失效，影響使用壽命。諧波減速器柔輪疲勞斷裂主要經(jīng)過生核、擴(kuò)展與斷裂三個(gè)階段。裂紋一般都在表面形成，然后向內(nèi)部擴(kuò)展，選擇的材料最好使其既不易生核又要使裂紋擴(kuò)展速率最低，使裂紋擴(kuò)展到更大范圍時(shí)才進(jìn)行最后斷裂。在實(shí)際應(yīng)用過程中，柔輪筒體的疲勞斷裂和齒面磨損較為普遍，因此柔輪材料需要滿足扭轉(zhuǎn)剛度高、耐磨性好等特點(diǎn)。柔輪材料以40Cr合金鋼為主，國外提純技術(shù)高雜質(zhì)少，國內(nèi)通過技術(shù)革新縮小差距。目前，國內(nèi)外的諧波減速器柔輪材料基本為40Cr合金鋼，其中40CrMoNiA與40CrA最常用，但由于原材料中含有的雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致微小裂紋進(jìn)而影響使用壽命，因此對原始胚料的純度要求極高。目前國外提純技術(shù)較高，因而材料相比國內(nèi)的雜質(zhì)少，我國經(jīng)過多年研發(fā)，通過對原材料進(jìn)行高精密的電渣重熔提純，反復(fù)旋壓等技術(shù)手段，提高了柔輪材料各項(xiàng)性能指標(biāo)的穩(wěn)定性，保證了柔輪疲勞強(qiáng)度的苛刻要求。2.2.2齒形設(shè)計(jì)決定嚙合效果和載荷能力，國內(nèi)具備自主專利打破壁壘齒形設(shè)計(jì)決定諧波減速器嚙合效果、傳動(dòng)平穩(wěn)性和工作壽命。一方面，諧波減速器工作過程中，柔輪輪齒在嚙合過程中受到扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，增大同時(shí)嚙合的齒數(shù)比例可以降低齒面應(yīng)力，提升柔輪扭轉(zhuǎn)剛度從而延長使用壽命。另一方面，特殊的齒形設(shè)計(jì)可延長輪齒嚙合區(qū)域，優(yōu)化減速器工作過程中的嚙合效果，減小輪齒背隙，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的傳動(dòng)效果。日本哈默納科自主開發(fā)S型齒輪齒形，優(yōu)化齒輪嚙合效果。它具有S齒形獨(dú)有的特殊曲面，可與齒形連續(xù)接觸。通過根據(jù)齒輪齒厚加寬齒槽寬度和擴(kuò)大底部半徑來緩解應(yīng)力集中，減少剛輪與柔輪切齒的摩擦系數(shù)；工作過程中有30%齒數(shù)同時(shí)嚙合，有效均化傳動(dòng)誤差，提高傳動(dòng)精度。此外，齒根半徑的增大提升了輪齒強(qiáng)度，降低啟動(dòng)力矩的同時(shí)減少溫升效能，可實(shí)現(xiàn)諧波減速器高扭矩、高扭轉(zhuǎn)剛度、長壽命和平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)。國內(nèi)綠的諧波深耕諧波減速器行業(yè)，自研“P”形齒，打破齒形設(shè)計(jì)國外壟斷。綠的諧波基于對諧波傳動(dòng)理論的深入理解，跳脫出傳統(tǒng)的漸開線齒輪設(shè)計(jì)理論，率先打破日本哈默納科壟斷，開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的P型齒，通過降低齒高、增大齒寬降低輪齒的斷裂風(fēng)險(xiǎn)；P型齒設(shè)計(jì)使得諧波減速器在工作過程中柔輪變形量較小且更多的輪齒同時(shí)參與嚙合，降低齒面比壓，延長工作壽命。來福諧波自研齒形，可顯著提升諧波減速器性能。來福諧波在雙圓弧齒形基礎(chǔ)上自主研發(fā)設(shè)計(jì)齒形，具有接觸應(yīng)力小、壽命長、嚙合性能好、噪音低、工作平穩(wěn)的特點(diǎn)。公司官網(wǎng)產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)顯示，LSG系列產(chǎn)品工作壽命較標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的壽命可提升30%以上，轉(zhuǎn)矩容量提升超過30%。2.2.3交叉滾子軸承成為主流選擇，多方向載荷能力優(yōu)勢顯著諧波減速器波發(fā)生器軸承要求承受徑向和軸向應(yīng)力，交叉滾子軸承相比傳統(tǒng)滾珠軸承優(yōu)勢明顯。諧波減速器利用柔性軸承可控的彈性形變傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，工作中軸承隨柔輪的彈性變形不斷的發(fā)生變化，不僅承受循環(huán)應(yīng)力載荷，而且承受交變應(yīng)力載荷。傳統(tǒng)滾珠軸承僅能承受一個(gè)方向上的應(yīng)力，且難以滿足諧波減速器結(jié)構(gòu)緊湊和高精度的要求，因此交叉滾子軸承成為更優(yōu)的替代方案。交叉滾子軸承可起到有效支撐及減少摩擦的作用，同時(shí)承受徑向負(fù)荷、軸向負(fù)荷及力矩負(fù)荷等多方向的負(fù)荷。交叉滾子軸承的滾動(dòng)體一般采用圓柱或者圓錐滾子在單一滾道槽里邊呈十字交叉相互排列形式，滾子之間通過黃銅保持器或者工程塑料隔離塊間隔起來，從而具有較高的旋轉(zhuǎn)精度、較大的承載力、較小的外形尺寸及較高的旋轉(zhuǎn)速度和剛性。材料與熱處理成為柔性軸承核心問題，綠的諧波率先打破國外壟斷。諧波減速器工作過程中軸承同時(shí)承受隨球體的壓力和高速運(yùn)動(dòng)的變形。材料過軟易導(dǎo)致溝道受損，過硬則軸承容易斷裂。2020年綠的諧波獲得交叉滾子軸承專利，成為國內(nèi)第一家具備獨(dú)立生產(chǎn)能力的減速器企業(yè)。2.3對標(biāo)日本哈默納科發(fā)展，看好國內(nèi)廠商在技術(shù)、產(chǎn)能等方面奮起追趕哈默納科（HarmonicDrive）作為全球諧波減速器行業(yè)絕對龍頭，業(yè)務(wù)遍布全球，產(chǎn)品應(yīng)用場景廣泛。哈默納科目前主營業(yè)務(wù)可分為精密減速機(jī)（諧波減速器、減速器組件和行星減速器）和機(jī)電一體化（執(zhí)行器和控制器）兩個(gè)板塊，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人、半導(dǎo)體設(shè)備、面板制造設(shè)備、機(jī)床、光學(xué)儀器、檢測設(shè)備、車載等領(lǐng)域，下業(yè)工業(yè)機(jī)器人占比超50%。對標(biāo)哈默納科發(fā)展歷程，近年來以綠的諧波為代表的國內(nèi)廠商從產(chǎn)能建設(shè)、產(chǎn)品升級(jí)和多樣化、機(jī)電一體化三個(gè)方面不斷迭代，看好諧波減速器加速進(jìn)程。（1）產(chǎn)能建設(shè)，哈默納科多年積累優(yōu)勢顯著，國內(nèi)廠商發(fā)力布局加速追趕。哈默納科起步于日本市場，經(jīng)過多年發(fā)展逐漸向歐美及亞洲其它國家布局，在全球需求增長的背景下持續(xù)提升產(chǎn)能，迅速搶占市場份額。截至2022年3月，哈默納科在諧波減速器領(lǐng)域的產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到每月18.5萬臺(tái)，同時(shí)產(chǎn)能還在持續(xù)提升中，公司官網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)到2023年3月諧波減速器產(chǎn)能將達(dá)到每月25.5萬臺(tái)。國內(nèi)諧波減速器廠商加速產(chǎn)能建設(shè)，有望提升市場份額。近年來國內(nèi)諧波減速器廠商擴(kuò)產(chǎn)速度明顯快于國外。綠的諧波年產(chǎn)能已從2020年上市前的9萬臺(tái)增長到2021年底的30萬臺(tái)，并設(shè)定了50萬臺(tái)的年產(chǎn)能目標(biāo)。內(nèi)資品牌紛紛發(fā)力建設(shè)產(chǎn)能，隨著技術(shù)迭代推動(dòng)產(chǎn)品競爭力提升，有望加速滲透下游市場推進(jìn)進(jìn)程。（2）國產(chǎn)諧波減速器在產(chǎn)品豐富程度上較海外巨頭仍有差距，看好廠商提升產(chǎn)品性能與擴(kuò)充產(chǎn)品矩陣雙管齊下，加速。哈默納科持續(xù)迭代產(chǎn)品和技術(shù)，產(chǎn)品向高精度、高轉(zhuǎn)矩容量、小型化和輕量化發(fā)展，相較于國產(chǎn)產(chǎn)品更在小型化和精細(xì)化的應(yīng)用場景優(yōu)勢更加顯著。質(zhì)量決定產(chǎn)品競爭力，應(yīng)用場景決定發(fā)展空間。國內(nèi)諧波減速器廠商要想進(jìn)入下游廠商供應(yīng)鏈，需要經(jīng)歷約1~2年的試機(jī)過程，耗時(shí)較長并且未能通過導(dǎo)致的損失較大。因此廠商必須加大技術(shù)研發(fā)，提升產(chǎn)品的性能從而得到與更多下游客戶的合作機(jī)會(huì)。除機(jī)器人外，哈默納科的成長還有半導(dǎo)體、面板等下游賽道的放量成長。不同應(yīng)用場景對諧波減速器產(chǎn)品的使用要求都不一樣，包含精度、扭矩、體積、適用環(huán)境等維度。因此，面對不斷變化的下游市場，需要不斷開發(fā)新產(chǎn)品，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景需求。3綜合行星和擺線傳動(dòng)優(yōu)勢，RV減速器承擔(dān)大關(guān)節(jié)角色諧波減速器使用存在局限性，RV減速器在人形機(jī)器人大負(fù)載關(guān)節(jié)的地位無法取代。諧波減速器無法承載大負(fù)荷主要有兩個(gè)原因：一是瞬時(shí)傳動(dòng)比不穩(wěn)定，由于諧波減速器柔輪在啟動(dòng)/制動(dòng)階段輪齒易發(fā)生彈性形變，輸入端與輸出端的瞬時(shí)位移比值不穩(wěn)定，在大負(fù)載的情況下易出現(xiàn)滑齒現(xiàn)象；二是部件共振問題，諧波減速器部件固有振動(dòng)頻率與其材料特性和扭轉(zhuǎn)剛度相關(guān)，在大負(fù)載情況下減速器更容易產(chǎn)生共振問題，影響工作壽命。RV減速器在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域已有成熟應(yīng)用，看好其在人形機(jī)器人場景繼續(xù)發(fā)揮重要作用。RV減速器體積大，負(fù)載能力和剛度高，可用于機(jī)座、大臂、肩部等重負(fù)載位置，而諧波減速器體積小、傳動(dòng)比和精密度高，主要應(yīng)用于小臂、腕部或手部。3.1RV減速器多級(jí)傳動(dòng)，具備大負(fù)載、工作平穩(wěn)等優(yōu)勢RV減速器實(shí)現(xiàn)多級(jí)傳動(dòng)，具備大負(fù)載、工作平穩(wěn)等優(yōu)勢。RV減速器與擺線針輪減速器同源，主要有擺線針輪和行星支架組成。結(jié)構(gòu)包括輸入軸、行星輪、曲柄軸、擺線輪、針齒輪和行星架，目前RV減速器多采用兩級(jí)擺線針輪減速機(jī)構(gòu)。RV減速器結(jié)合行星傳動(dòng)和擺線傳動(dòng)兩種形式，是由第一級(jí)漸開線圓柱齒輪行星減速機(jī)構(gòu)和第二級(jí)擺線針輪行星減速機(jī)構(gòu)兩部分組成，為一封閉差動(dòng)輪系。第一級(jí)結(jié)構(gòu)基于正齒輪變速原理，由行星齒輪和太陽輪實(shí)現(xiàn)變速，傳動(dòng)比即為兩種齒輪的齒數(shù)之比；第二級(jí)結(jié)構(gòu)采用差動(dòng)齒輪變速，曲軸在行星齒輪驅(qū)動(dòng)下回轉(zhuǎn)時(shí)，偏心軸將驅(qū)動(dòng)RV齒輪擺動(dòng)，并迫使針輪與輸出法蘭之間產(chǎn)生相對回轉(zhuǎn)，與諧波減速器類似，當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，針輪只發(fā)生1個(gè)齒的偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)第二級(jí)的減速。RV減速器減速比大、剛性好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積較大。RV減速器由于其二級(jí)傳動(dòng)特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)更大的傳動(dòng)比和更高的輸出轉(zhuǎn)矩，且針輪和RV齒輪間采用直徑較大的針齒銷傳動(dòng)，剛性更高。同時(shí)，由于RV減速器結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，在傳動(dòng)間隙、定位精度方面不及諧波減速器。3.2RV減速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)壁壘較高，關(guān)注國內(nèi)創(chuàng)新打破壟斷RV減速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)零件組成，在傳動(dòng)精度、效率、回差的指標(biāo)上要求較高。RV減速器核心難點(diǎn)在于各項(xiàng)工藝的密切配合，包含齒形設(shè)計(jì)、齒面熱處理、加工精度、成組技術(shù)等等，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜和零件眾多帶來的誤差累積會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品在使用過程中的加速磨損和壽命縮減。RV減速器傳動(dòng)比大，負(fù)荷大，對軸承要求高。擺線輪支撐軸承位于曲柄軸和擺線輪之間，受限于減速器內(nèi)部的空間、潤滑、溫升等因素，受力時(shí)易達(dá)到承載極值，導(dǎo)致磨損和破裂。擺線輪支撐軸承性能和RV減速器的壽命關(guān)聯(lián)緊密。RV減速器齒形復(fù)雜，傳統(tǒng)漸開線、擺線齒形修型工藝要求高，未來有望被雙弧線齒形替代。與諧波減速器柔輪剛輪嚙合類似，RV減速器齒輪的齒形幾何精度和修型質(zhì)量都直接決定了減速器的傳動(dòng)效率和傳動(dòng)精度。為了彌補(bǔ)零部件制造和裝配過程中產(chǎn)生的誤差，需要通過等距修形、移距修形和轉(zhuǎn)角修型這三種方法優(yōu)化齒廓，并且要選擇合適的修形量，在避免出現(xiàn)傳動(dòng)干澀、卡死等情況的同時(shí)盡量減小嚙合齒隙。雙弧線齒輪嚙合效果更好，加工難度較低。雙弧線齒輪在齒面接觸強(qiáng)度和輪齒彎曲強(qiáng)度方面均優(yōu)于漸開線齒輪和擺線齒輪。在加工工藝上，切制雙圓弧齒輪僅需具有凸、凹齒廓的一把滾刀，測量時(shí)只測凸齒齒形上的公法線長度，因此測景儀器和公法線長度計(jì)算都大為簡化。目前雙弧線齒輪已被證實(shí)，加工精度良好的情況下在高、中、低速大功率動(dòng)力傳動(dòng)中，都顯示出良好的性能。3.3日系主導(dǎo)RV減速器市場，國內(nèi)自研疊加全球機(jī)器換人創(chuàng)造發(fā)展機(jī)遇日系主導(dǎo)全球RV減速器市場，國內(nèi)廠商起步較晚。據(jù)MIR數(shù)據(jù)，2021年國內(nèi)RV減速器市場中，納博特斯克占據(jù)53%份額，國內(nèi)廠商中雙環(huán)傳動(dòng)和中大力德市場份額分別為14%和4%。我國于上世紀(jì)80年代才開始研究RV理論，起步較晚，目前仍處于追趕階段。國內(nèi)廠商產(chǎn)能與自主研發(fā)雙加速，全球機(jī)器換人趨勢催化發(fā)展機(jī)遇。以雙環(huán)傳動(dòng)為代表的國內(nèi)RV減速器廠商發(fā)力追趕，在減速器動(dòng)力學(xué)研究，在齒形設(shè)計(jì)、傳動(dòng)精度和回差控制等方面持續(xù)積累。并且受益于全球市場放量成長，內(nèi)資廠商已逐漸獲得試機(jī)驗(yàn)證和批量化生產(chǎn)的機(jī)會(huì)，未來有望逐步進(jìn)入下游客戶供應(yīng)鏈。4關(guān)注人形機(jī)器人環(huán)境感知和運(yùn)動(dòng)模塊投資機(jī)會(huì)我們再次強(qiáng)調(diào)本文開頭的觀點(diǎn)，波士頓動(dòng)力Atlas機(jī)器人具備優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)性能，可作為未來C端人形機(jī)器人產(chǎn)品運(yùn)控性能方面的發(fā)展目標(biāo)。支撐Atlas實(shí)現(xiàn)這一功能的是先進(jìn)的AI算法、多模態(tài)的視覺感知模組以及高性能電液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。特斯拉擎天柱機(jī)器人，為貼近C端消費(fèi)市場，采用了低成本的純電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，在運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)方面存在一定差距。但我們經(jīng)過深入分析認(rèn)為，隨著AI算法的持續(xù)迭代、包含激光雷達(dá)在內(nèi)的多模態(tài)視覺感知模組在智能駕駛和機(jī)器人等領(lǐng)域滲透率不斷提升，以及電驅(qū)系統(tǒng)性能的不斷提高，人形機(jī)器人有望在3-5年內(nèi)，實(shí)現(xiàn)Atlas機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能，打開C端消費(fèi)市場空間。動(dòng)力輸出環(huán)節(jié)，建議關(guān)注精密減速器賽道投資機(jī)遇。為實(shí)現(xiàn)Atlas電液驅(qū)動(dòng)的良好性能，除了伺服電機(jī)本身的升級(jí)外，需要精密減速器協(xié)同配合，優(yōu)化機(jī)器人關(guān)節(jié)在扭矩、穩(wěn)定性、慣量比等指標(biāo)，因此應(yīng)用在小關(guān)節(jié)上的諧波減速器和大關(guān)節(jié)上的RV減速器需求空間有望打開，細(xì)分賽道的優(yōu)質(zhì)公司有望受益行業(yè)成長。環(huán)境感知環(huán)節(jié)，重點(diǎn)關(guān)注激光雷達(dá)為主的傳感器投資機(jī)遇。Atlas采用TOF深度相機(jī)+激光雷達(dá)方案、特斯拉采用純視覺方案實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知。我們認(rèn)為激光雷達(dá)在景深信息獲取、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息獲取和定位精度等方面均具備無法替代的優(yōu)勢，且考慮其